一种多结型锗基长波红外探测器及制备方法

1.本发明涉及一种长波红外探测器及其制备方法，该多结型锗基长波红外探测器特别适用于40～200μm范围的中、远红外天文探测领域。


背景技术：

2.红外天文学是天文学领域重要的分支，发展红外天文学的关键是发展红外探测器。常见的红外探测器可以由碲镉汞、锑化铟和铟镓砷等材料制备，他们都是利用利用半导体材料本身的性质来吸收红外光，因此吸收的光子能量需要比半导体材料的禁带宽度大，可探测的波长较短。
3.阻挡杂质带探测器通过对半导体材料进行掺杂，引入杂质能级，利用杂质能级吸收红外光。探测器的响应波长由杂质在半导体材料中的电离激活能决定，通常硅基阻挡杂质带探测器的响应波长覆盖4～50μm，而锗基和砷化镓基阻挡杂质带探测器则分别可以将响应波长拓展到200和300μm。与其他红外探测器相比，阻挡杂质带探测器具有其显著的优点，已经成为中、远红外天文探测领域的主流探测器。
4.传统的阻挡杂质带探测器具有其结构上的缺点，限制了探测性能的进一步提高。根据理论分析可知，器件吸收区内的电场强度并不是均匀分布，而是只分布在一个很窄的耗尽区内，在耗尽区以外的中性区内的电场强度很小。只有在耗尽区内产生的光生载流子才可以在电场的驱动下有效分离，而在中性区内产生的光生载流子会很快复合掉。因此，为了提高器件的探测性能，就应该使耗尽区的宽度尽可能的大。耗尽区的宽度主要由掺杂浓度、工作电压和阻挡区宽度决定，拓宽的难度很大。随着天文学的进一步发展，对天文探测技术的要求不断提高，必须优化和改进现有探测器的结构，提升探测器的性能。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种多结型锗基阻挡杂质带(multiple
‑
junction blocked impurity band,mbib)长波红外探测器，并提供一种实现该结构的制备方法，解决了传统阻挡杂质带探测器耗尽区窄的技术难题。所述的新型探测器的结构和工作方式不同于传统的杂质带探测器，其特征在于：
6.所述的长波红外探测器采用平面结构，即电极区、吸收区和阻挡区都位于锗基底的近表面层内；
7.所述的引线电极位于电极区的上方，钝化层位于吸收区和阻挡区的上方；
8.所述的吸收区和阻挡区呈周期性分布在引线电极之间；
9.所述的长波红外探测器具有n个吸收区和n个阻挡区，从而具有n个耗尽区，将耗尽区的宽度增加了n
‑
1倍(n通常大于等于2，小于等于10)。
10.所述的锗基底是高阻型，杂质浓度范围为1
×
10
12
～1
×
10
14
cm
‑3。
11.所述的电极区为简并掺杂锗材料，掺杂元素可为硼、镓或铍，杂质浓度范围为5
×
10
18
～5
×
10
19
cm
‑3，掺杂深度范围为0.2～2μm，宽度范围为50～200μm。
12.所述的吸收区为掺杂锗材料，掺杂元素为硼、镓或铍，杂质浓度范围为1
×
10
16
～1
×
10
17
cm
‑3，掺杂深度范围为0.2～2μm，宽度范围为5～50μm。
13.所述的阻挡区为高阻锗材料，宽度范围为1～5μm。
14.一种实现该探测器的制备方法，包括如下步骤：
15.①
利用光刻工艺在锗基底的表面形成吸收区图形，然后离子注入所需杂质形成吸收区；
16.②
利用光刻工艺在锗基底的表面形成电极区图形，然后离子注入所需杂质形成电极区；
17.③
利用薄膜淀积工艺在锗基底的表面沉积一层氮化硅钝化层，然后进行快速退火工艺，激活离子注入的杂质；
18.④
利用干法刻蚀工艺在钝化层上开设电极窗口，然后蒸镀金属薄膜，形成引线电极。
19.本发明的优点是：
20.1.本发明继承了传统阻挡杂质带探测器的优点，可探测波长长，同时又避免了传统阻挡杂质带探测器的缺点，具有多个耗尽区，耗尽区宽度大，探测性能好。
21.2.本发明结构简单，制备成本低，与当前的半导体工艺相兼容，且容易推广到硅基和砷化镓基阻挡杂质带探测器。
附图说明
22.图1为本发明探测器的整体结构图。
23.图2为本发明实施例1的器件结构图。
24.图3为本发明实施例2的器件结构图。
25.图4为本发明实施例3的器件结构图。
26.图5为本发明探测器的制备工艺流程图。
具体实施方式
27.下面根据本发明内容和附图说明给出本发明的三个较好的实施例，结合实例进一步说明本发明技术细节、结构特征和功能特点，但这些实例并不限制本发明范围，合乎发明内容和附图说明中描述的实例均应包含在本发明范围内。通过理论分析可知，相比传统的阻挡杂质带探测器，本发明实施列1的器件性能可提高1倍，本发明实施例2的器件性能可提高4倍，本发明实施例3的器件性能可提高9倍。所述探测器的制备方法具体由以下步骤实现：
28.实例1：
29.选择高阻ge基底1，掺杂浓度为1
×
10
13
cm
‑3，借助紫外光刻技术在ge基底1表面制作两个吸收区图形，单个吸收区宽50μm，使用的光刻胶的厚度约3μm，可以作为后续离子注入过程的掩蔽剂；
30.通过多次离子注入过程，向吸收区3注入b杂质，注入深度约1μm，掺杂浓度约4
×
10
16
cm
‑3；
31.再次借助紫外光刻技术在ge基底1表面制作电极区图形，电极区宽100μm；
32.再次通过多次离子注入过程，向电极区2注入b杂质，注入深度约1μm，掺杂浓度约3
×
10
18
cm
‑3；
33.借助pecvd技术在ge基底1表面沉积一层200nm厚的si3n4作为器件钝化层6；
34.再次借助紫外光刻技术在钝化层表面制作电极图形，然后通过rie刻蚀技术开设电极窗口；
35.通过电子束沉积技术在电极窗口处沉积20nm厚的pd和200nm厚的au，作为引线电极5，然后再借助快速退火技术对器件在300℃下退火300s。
36.实例2：
37.选择高阻ge基底1，掺杂浓度为1
×
10
13
cm
‑3，借助紫外光刻技术在ge基底1表面制作五个吸收区图形，单个吸收区宽20μm，使用的光刻胶的厚度约3μm，可以作为后续离子注入过程的掩蔽剂；
38.通过多次离子注入过程，向吸收区3注入b杂质，注入深度约1μm，掺杂浓度约5
×
10
16
cm
‑3；
39.再次借助紫外光刻技术在ge基底1表面制作电极区图形，电极区宽100μm；
40.再次通过多次离子注入过程，向电极区2注入b杂质，注入深度约1μm，掺杂浓度约3
×
10
18
cm
‑3；
41.借助pecvd技术在ge基底1表面沉积一层200nm厚的si3n4作为器件钝化层6；
42.再次借助紫外光刻技术在钝化层表面制作电极图形，然后通过rie刻蚀技术开设电极窗口；
43.通过电子束沉积技术在电极窗口处沉积20nm厚的pd和200nm厚的au，作为引线电极5，然后再借助快速退火技术对器件在300℃下退火300s。
44.实例3：
45.选择高阻ge基底1，掺杂浓度为1
×
10
13
cm
‑3，借助紫外光刻技术在ge基底1表面制作十个吸收区图形，单个吸收区宽10μm，使用的光刻胶的厚度约3μm，可以作为后续离子注入过程的掩蔽剂；
46.通过多次离子注入过程，向吸收区3注入b杂质，注入深度约1μm，掺杂浓度约2
×
10
16
cm
‑3；
47.再次借助紫外光刻技术在ge基底1表面制作电极区图形，电极区宽100μm；
48.再次通过多次离子注入过程，向电极区2注入b杂质，注入深度约1μm，掺杂浓度约3
×
10
18
cm
‑3；
49.借助pecvd技术在ge基底1表面沉积一层200nm厚的si3n4作为器件钝化层6；
50.再次借助紫外光刻技术在钝化层表面制作电极图形，然后通过rie刻蚀技术开设电极窗口；
51.通过电子束沉积技术在电极窗口处沉积20nm厚的pd和200nm厚的au，作为引线电极5，然后再借助快速退火技术对器件在300℃下退火300s。